a)

Równanie reakcji konwersji metanu:

$\mathrm{CH}{}_4{}_{(\mathrm{g})}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}{}_{(\mathrm{g})}\rightleftarrows \mathrm{CO}{}_{(\mathrm{g})}+3\mathrm{H}{}_2{}_{(\mathrm{g})}$

 

b) 

Konstruujemy tabelę, w której zbierzemy informacje dotyczące początkowych ilości moli gazów w reaktorze oraz ich zmianach podczas dążenia układu do stanu równowagi:

reagent	n0 [mol]	Δn [mol]	nrówn. [mol]
CH4	2	-x	2-x	-
H2O	2	-x	2-x	-
CO	0	+x	x	-
H2	0	+3x	3x	1,5

gdzie:

n₀ - początkowa liczba moli reagentów,

Δn - zmiana liczby moli podczas dążenia układu do stanu równowagi,

n_równ. - liczba moli w stanie równowagi.

Na podstawie znajomości równowagowej ilości moli wodoru wyznaczamy wartość parametru x:

$3x=1,5$

$x=0,5\mathrm{mol}$

Aktualizujemy tabelę:

reagent	n0 [mol]	Δn [mol]	nrówn. [mol]
CH4	2	-0,5	1,5
H2O	2	-0,5	1,5
CO	0	+0,5	0,5
H2	0	+1,5	1,5

 

Odpowiedź: W stanie równowagi w reaktorze znajduje się 1,5 mola nieprzereagowanej pary wodnej.

 

c)

Aby zwiększyć wydajność procesu konwersji metanu należy:

1. zwiększyć stężenie wodoru w mieszaninie poreakcyjnej.
2. zmniejszyć stężenie tlenku węgla(II) w mieszaninie poreakcyjnej.
3. zwiększyć ciśnienie w naczyniu reakcyjnym.
4. zwiększyć objętość w naczyniu reakcyjnym.
5. wprowadzić odpowiednio dobrany katalizator.

 

---

Wyjaśnienie:

Zgodnie z regułą przekory dodanie wodoru (produktu) do układu reakcyjnego przesunie stałą równowagi w lewo i zmniejszy wydajność reakcji. Z racji tego, że z dwóch moli substratów powstają 4 mole produktów, wzrost ciśnienia również spowoduje przesunięcie równowagi w stronę substratów, ponieważ w takich warunkach reakcja biegnie w stronę, po której znajduje się mniejsza ilość moli gazów. Dodanie katalizatora nie wpływa na położenie stanu równowagi ani na wydajność reakcji.